CHƯƠNG 1. Giới thiệu chung Chỉ trong vài thập niên qua, từ một nƣớc thiếu lƣơng thực, Việt Nam đã vƣơn lên trở thành nƣớc xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới với sản lƣợng gạo xuất khẩu năm 2012 là 7,72 triệu tấn (Hiệp hội Lƣơng thực Việt Nam, 2012). Thành tích ấy là nhờ thâm canh tăng vụ, tăng sản lƣợng và có vai trò quan trọng của phân bón. Phân bón nói chung và phân bón hóa học nói riêng đã góp phần tăng năng suất cây trồng, chất lƣợng của nông sản, đặc biệt là đối với cây lúa.
Theo ƣớc tính từ Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn năm 2013, Việt Nam sử dụng hơn 10 triệu tấn phân bón cho đồng ruộng. Tuy nhiên, theo tính toán của các chuyên gia thì hiện nay thì hiệu suất sử dụng phân bón chỉ đạt từ 30 – 50% nên đã gây ra lãng phí và là tác nhân gây nên sự ô nhiễm môi trƣờng. Lƣợng phân bón bị mất một phần nằm lại trong đất, một phần bay hơi gây ô nhiễm không khí, số còn lại bị rửa trôi theo nƣớc mƣa, ra ao hồ, sông rạch gây hiện tƣợng phú dƣỡng hóa ở sông, hồ (Keeny, 1982) và làm tăng hàm lƣợng nitrat trong nƣớc ngầm. Theo Tabuchi và Hasegawa (1995) đạm dƣ thừa bị chuyển thành dạng nitrat (NO3-) hoặc nitrit (NO2-) là những dạng gây độc trực tiếp cho các động vật thuỷ sinh, gián tiếp cho các động vật trên cạn do sử dụng.
Việt Nam là một nƣớc nông nghiệp với tiềm năng sinh khối dồi dào bao gồm: lúa, khoai, bắp, đậu, các loại lƣơng thực thực phẩm khác, và các sản phẩm từ chăn nuôi gia súc, gia cầm. Tận dụng những nguồn nguyên liệu phong phú này, 125.000 công trình khí sinh học đƣợc xây dựng (Bộ NN & PTNT và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan (SNV), 2012) thông qua việc sử dụng công nghệ khí sinh học xử lý chất thải chăn nuôi, cung cấp năng lƣợng sạch và rẻ tiền cho bà con nông dân, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng động, tạo thêm công ăn việc làm ở nông thôn và giảm thiểu sử dụng nguyên liệu hoá thạch, giảm hiện tƣợng phá rừng và giảm phát thải khí nhà kính. Đồng thời, quá trình biogas còn tạo ra một lƣợng lớn bùn biogas có hàm lƣợng dinh dƣỡng cao có thể sử dụng làm phân bón cho cây trồng. 2 Nhiều nghiên cứu đã đƣợc tiến hành nhằm giảm tác động của phân bón đến môi trƣờng, trong đó có một số nghiên cứu tận dụng bùn biogas thay thế cho phân bón hóa học.
Theo Li và cs (2003) thì không có sự khác biệt về chiều dài cây, số lƣợng chồi và chỉ số diện tích lá khi sử dụng bùn biogas và phân hóa học. Tuy nhiên, nghiên cứu này cho thấy sản lƣợng ngũ cốc và lúa, mức thu hồi, cũng nhƣ hiệu quả nông học khi sử dụng bùn biogas cao hơn so với phân hóa học với cùng lƣợng nitơ áp dụng (50-70kgN/ha). Kết quả này cũng tƣơng tự nhƣ nghiên cứu của Liu và cs (2002) và Jeyabal và Kuppuswamy (2001) là sản lƣợng hạt và rơm tăng khi sử dụng bùn biogas. Nghiên cứu cho thấy, thậm chí khi lƣợng bùn biogas sử dụng giảm xuống thì vẫn có thể cho sản lƣợng tƣơng đƣơng với khi sử dụng phân bón hóa học.
Hơn nữa, so sánh kết quả đầu ra khi sử dụng phân bón hóa học và bùn biogas thì tải lƣợng chất dinh dƣỡng đi ra môi trƣờng từ bùn biogas ít hơn so với phân bón hóa học. Mặc dù, có nhiều nghiên cứu việc ứng dụng bùn biogas bón cho lúa đƣợc thực hiện nhƣng vẫn chƣa nghiên cứu về vấn đề đánh giá tác động sử dụng bùn biogas đến chất lƣợng nƣớc. Vì vậy, đề tài “Đánh giá ảnh hƣởng của việc tái sử dụng bùn biogas bón cho lúa đến chất lƣợng nguồn nƣớc tiếp nhận dựa trên cân bằng nƣớc và các nguyên tố” đƣợc thực hiện nhằm hiểu rõ hơn về tiềm năng tái sử dụng bùn biogas cũng nhƣ tác động của việc tái sử dụng bùn biogas đến chất lƣợng môi trƣờng. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu này nhằm đánh giá tải lƣợng các chất dinh dƣỡng nitơ và phospho của việc tái sử dụng bùn biogas bón cho lúa đến chất lƣợng nguồn nƣớc tiếp nhận.
Nội dung nghiên cứu Để đạt đƣợc mục tiêu trên, nghiên cứu này gồm 2 nội dung: - Đánh giá tác động của việc sử dụng bùn biogas và bùn biogas kết hợp với phân hóa học trong canh tác lúa đến chất lƣợng nguồn nƣớc tiếp nhận dựa trên cân bằng nƣớc và các nguyên tố. 3 - Từ đó đề xuất các giải pháp quản lý nhằm hạn chế ô nhiễm và an toàn khi sử dụng bùn biogas. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tƣợng nghiên cứu Ruộng thí nghiệm có diện tích 171m2 tại ấp Bình Hạ Đông - xã Thái Mỹ - huyện Củ Chi - Thành phố Hồ Chí Minh.
Phạm vi nghiên cứu Các yếu tố đƣợc tiến hành nghiên cứu bao gồm nƣớc và các chất dinh dƣỡng là nitơ và phospho. Thời gian thực hiện nghiên cứu trong vòng 7 tháng từ tháng 5/2012 đến tháng 11/2012. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học Tính toán cân bằng nƣớc và các nguyên tố nhằm xác định tải lƣợng chất dinh dƣỡng đi ra ngoài môi trƣờng và để từ đó đánh giá đƣợc những tác động của việc sử dụng bùn biogas trong trồng lúa đến chất lƣợng nguồn nƣớc tiếp nhận.
Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy việc tái sử dụng phụ phẩm biogas làm phân bón cho nông nghiệp, giảm thiểu tác động tiêu cực của hoạt động nông nghiệp đến môi trƣờng. Bên cạnh đó, nghiên cứu còn là một trong những cơ sở giúp tiết kiệm một phần chi phí trong sản xuất nông nghiệp từ việc thay thế phân bón hóa học bằng bùn biogas. Biogas Biogas là quá trình ủ phân rác, phân hữu cơ, bùn cống rãnh để tạo ra nguồn khí sinh học sử dụng trong hộ gia đình hay trong sản xuất. Sản xuất khí sinh học dựa trên cơ sở phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ tự nhiên hay là quá trình lên men mêtan.
Nguồn nguyên liệu để sản xuất biogas có thể nói là vô tận từ các loại bùn từ ao tù, đầm lầy, phế liệu, phế thải trong sản xuất nông, lâm nghiệp và các hoạt động sản xuất và chế biến nông lâm sản, xác động vật. Phân ngƣời, phân gia súc, phân gia cầm, rơm rạ, cây xanh, v. đều có thể dùng làm nguyên liệu sản xuất khí sinh học. Nguyên liệu khi đƣợc nạp vào thiết bị biogas sẽ bị biến đổi và một phần chuyển hóa thành biogas.
Phần còn lại là bã đặc và nƣớc thải lỏng. Bã thải là sản phẩm thứ hai rất có giá trị của thiết bị biogas còn đƣợc gọi là bùn biogas đƣợc sử dụng trong nông nghiệp. Quá trình phân hủy kị khí trong hầm ủ biogas Về nguyên tắc, khi một lƣợng sinh khối đƣợc lƣu giữ trong bể kín một thời gian sẽ chuyển hóa và sản sinh ra một hợp chất dạng khí - khí sinh học (biogas), có khả năng cháy đƣợc với thành phần chính là metan (CH4) và cacbon dioxide (CO2), trong đó thành phần CH4 chiếm khoảng trên 50%. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình lên men kị khí hoặc quá trình sản xuất khí metan sinh học.
Một hệ thống biogas bao gồm bể biogas, thiết bị thu khí đƣợc lắp đặt trực tiếp trên nắp bể, hệ thống ngăn và đƣờng ống cấp nguyên liệu đầu vào (chất thải thô + nƣớc). Bộ phận đầu ra bao gồm bể chứa và đƣờng ống dẫn chất thải (bùn sau khi lên men) để sử dụng làm phân bón sinh học. Các thiết bị trong hệ thống biogas đƣợc thể hiện trong Hình 2.1: Các bộ phận chính trong hầm ủ biogas Trong quá trình lên men, phần sinh khối phân rã và chất thải động vật sẽ đƣợc các vi sinh vật kị khí, nấm và vi khuẩn chuyển hóa thành các hợp chất dinh dƣỡng cơ bản có ích cho thực vật và đất mùn. Quá trình này đòi hỏi một số điều kiện tối ƣu nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, bóng tối, v.
Trong hầu hết các giai đoạn của quá trình phân huỷ, không có sự hiện diện của oxy từ môi trƣờng không khí, sự tồn tại của vi khuẩn kị khí chiếm ƣu thế, chuyển hóa các hợp chất dạng hydrocacbon. Các thành phần dinh dƣỡng nhƣ hợp chất chứa nitơ dạng hoà tan sẽ vẫn tồn tại trong dung dịch sau phân huỷ và là nguồn phân bón giàu dinh dƣỡng cho đất mùn. Quá trình phân huỷ kị khí diễn ra qua 3 giai đoạn chính: - Giai đoạn thủy phân - Giai đoạn hình thành axit - Giai đoạn lên men metan Các giai đoạn này đƣợc thực hiện bởi 2 loại vi khuẩn - vi khuẩn axít hoá và vi khuẩn metan hoá. Chu trình chuyển hoá chất thải hữu cơ thành biogas qua các phản ứng phức tạp, về cơ bản có thể chia thành 2 pha chính: - Pha I - pha axít: bao gồm giai đoạn thuỷ phân và giai đoạn tạo axít liên kết với nhau, trong đó các chất thải hữu cơ sẽ chuyển hoá phần lớn thành acetate 6 - Pha II - pha metan: là giai đoạn 3 ở trên, trong đó khí CH4 và CO2 đƣợc tạo thành.
Hai bƣớc đầu tiên của quá trình là nhân tố chính, qua đó, liên kết của các hợp chất hữu cơ mạch dài bị bẻ gãy, hình thành axit. Khí CH4 đƣợc sinh ra do hoạt động của vi khuẩn kị khí, chủ yếu tại bƣớc thứ 3. Ba bƣớc chính của quá trình nhƣ sau: (1) Tạo axít (thuỷ phân) Pha I (2) Khử axít (3) Sinh khí CH4 Pha II Pha I Pha II Giai đoạn tạo axít Giai đoạn hình (thuỷ phân) Giai đoạn khử axít thành khí CH4 Protein 1 Axit acetic 2 3 Biogas Cacbonhydrate Axit HC yếu Axit acetic CH4, CO2 Chất béo Rƣợu Vi khuẩn lên men Vi khuẩn acetogenic Vi khuẩn metan hoá Giai đoạn tạo axit (thủy phân) Trong giai đoạn thuỷ phân, các hợp chất dạng polymer (phân tử lớn) sẽ bị khử thành các monome (phân tử cơ bản). Sản phẩm của quá trình bao gồm: - Chất béo Axit béo - Protein Amino axit - Hydratecacbon Đƣờng Sản phẩm của giai đoạn này sẽ đƣợc các vi khuẩn lên men chuyển hoá, hình thành các sản phẩm nhƣ sau: - H, H2O, CO2, NH4, H2S - Axit acetic CH3COOH - Rƣợu và các axít hữu cơ yếu 7 Giai đoạn khử axít Trong bƣớc này, vi khuẩn acetogenic sẽ chuyển hoá rƣợu và các axít hữu cơ yếu thành các sản phẩm sau: - H2O, CO2, H - Axit acetic Giai đoạn tạo CH4 Trong bƣớc thứ 3 - bƣớc cuối cùng của quá trình chuyển hoá, axit acetic đƣợc hình thành ở bƣớc 1 và 2 sẽ chuyển hoá thành CH4, CO2 nhờ hoạt động của vi khuẩn metan.
